单层铁硒（1 uc FeSe）是近年来超导研究中的一个重要领域，因其在SrTiO3（STO）基底上展现出的显著提高的超导转变温度（Tc），这使得其在量子计算、能源存储和传感器等领域具有广泛的应用前景。这种高Tc现象与电子-声子耦合（EPC）密切相关，但其微观机制仍然不明确，特别是在界面处的耦合行为上，引起研究者们对该领域的深入探索。现有研究表明，界面玻色子模式与超导性之间的关系是理解Tc增强的关键因素。然而，声子模式的具体贡献和与电子的耦合强度之间的关系尚未得到充分阐明。
基于以上难题，加州大学尔湾分校潘晓晴教授在Nature发表了题为“Phonon modes and electron-phonon coupling at the FeSe/SrTiO3 interface”的论文，报道了采用动量选择性高分辨电子能量损失谱（EELS）技术，成功解析了FeSe/STO界面处的声子模式。研究发现了新的光学声子模式，在75-99 meV的能量范围内与电子强烈耦合。这些模式的特征是界面双TiOx层中的氧原子和STO中的顶端氧原子的面外振动。研究结果还表明，1 uc FeSe/STO的EPC强度和超导能隙与FeSe和TiOx端STO之间的层间距密切相关。这项研究发现揭示了界面EPC的微观起源，并为在FeSe/STO和潜在的其他超导系统中实现大而一致的Tc增强提供了见解。
研究人员利用分子束外延在STO上生长了FeSe薄膜，并在5 K下利用STM-STS测量了1 uc FeSe/STO样品的超导能隙。
图1、超导1 uc FeSe/STO的界面结构和振动光谱 © 2024 Springer Nature
图2、原子分辨声子谱学与成像 © 2024 Springer Nature
图3、ECP的DFT计算 © 2024 Springer Nature
图4、层间距对声子和超导电性的影响 © 2024 Springer Nature
本研究为理解超导材料界面的EPC提供了重要的微观视角，揭示了1 uc FeSe/STO界面中氧原子的垂直振动如何影响超导性。研究人员通过高分辨率振动光谱学识别了双TiOx层中的垂直振动模式，这些模式不仅提供了额外的声子模式，还在电子耦合中扮演了关键角色。这一发现表明，界面结构的均匀性对Tc的提升至关重要。此外，本研究强调了不同界面类型之间的微小变化如何导致超导能隙的不同表现，提示在设计新型高Tc超导体时，应关注界面工程。这种对界面结构与EPC关系的深入理解，可能为开发具有优异性能的新材料提供重要启示。未来的研究可以进一步探索不同材料系统中的类似现象，推动超导材料及其应用的发展，为电子学和量子计算领域带来新的突破。
